第11章 传感器的标定讲解
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气压表 泄气门 膜片 侧面被标定的传感器 底面被标定的传感器 高压室 低压室 测速压力传感器 测速 前置级 数字 频率计 测压 前置级 记录 装置
§11-2 压力传感器的动态标定
气源
25
第11章 传感器的标定
激波管法
原理：标定时根据要求对高、低 压室充以不同的压缩空气，低压 室一般为一个大气压力，对高压 室则充以高压气体。当高、低压 室的压力差达到一定值时膜片破 裂，高压气体迅速膨胀冲入低压 室,从而形成激波。 这个激波的波阵面压力保持恒定， 接近理想的阶跃波，并以超音速 冲向被标定的传感器。
第11章 传感器的标定
例 0~2MPa压力传感器的标定（输出电压1~5V；1.5级)， K=2V/MPa
标定数据表 输入压力(MPa) 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 输出电压(V) 升 1.02 1.40 1.79 2.19 2.56 2.98 3.41 3.78 4.17 4.57 4.98 输出电压(V) 降 1.01 1.42 1.81 2.23 2.58 3.05 3.43 3.82 4.20 4.59 5.01 平 均（V） 1.02 1.41 1.80 2.21 2.57 3.02 3.42 3.80 4.19 4.58 4.99 升降变差（V） 0.01 0.02 0.02 0.04 0.02 0.07 0.02 0.04 0.03 0.02 0.03 绝对误差 (V) 0.02 0.01 0.00 0.01 -0.03 0.02 0.02 0.00 -0.01 -0.02 -0.01
§11-1
• 同时用数字电压表记下传感器在相应压力下的输出值。
这样就可以得出被标定传感器的输出特性曲线(即输出与压力间的关系曲线)。 根据这条曲线可确定出所需要的各个静态特性指标。
标准压力表 砝码 活塞 进油阀 被标定传感器 针形阀 油杯
手轮
手摇压力泵
15
第11章 传感器的标定
压力传感器的静态标定
§11-2 压力传感器的动态标定
26
第11章 传感器的标定
激波管法
(a)膜片爆破前情况
§11-2 压力传感器的动态标定
激波管中压力与波动情况
(b)膜片爆破后 稀疏波反射前情况 (c)稀疏波反射后情况
入射激波的阶跃压力：
P2 P2 - P 1
(d)反射激波波动情况
7 M a 2 - 1 P1 6
12
第11章 传感器的标定
压力传感器的静态标定
§11-1
活塞压力计由： • 校验泵(压力发生系统) • 活塞部分(压力测量系统) 组成。
标准压力表 砝码 活塞
利用活塞和加在活塞中的砝码重量 所产生的压力与手摇压力泵所产生 的压力相平衡的原理进行标定工作。
进油阀 被标定传感器 针形阀 油杯
手轮
手摇压力泵
第ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1章 传感器的标定
传感器的静态特性标定
1.静态标定条件
（205）℃；≤85%RH；（76060）mm汞柱
2.标定仪器设备（标准量具）精度等级的确定
●标准量具的精度等级比被标定传感器至少高一个等级； ●附加设备又必须比标准量具至少高一个等级。
3.静态特性标定方法——比较法
●创造一个静态标准条件； ●选择标准量具； ●标定步骤： 全量程等间隔分点标定； 正、反行程往复循环一定次数逐点标定（输入标准量，测试 传感器相应的输出量）； 列出传感器输出-输入数据表格或绘制输出-输入特性曲线； 数据处理获取相应的静态特指标。
第11章 传感器的标定
Calibration
怎样进行标定？
利用一种标准设备产生的已知非电量(如标准力、压 力、位移等)作为输入量，输入至待标定的传感器中， 得到传感器的输出量；然后将传感器的输出量与输入 的标准量作比较，从而得到一系列的标定曲线。
第11章 传感器的标定
传感器标定的分类 （1）根据被测量进行分类 ①绝对标定法 被测量是由高精度的设备 产生并测量其大小的。特点：精度较高，但较 复杂。 ②相对标定法或比较标定法 被测量是用 根据绝对标定法标定好的标准传感器来测量的 。特点：简单易行，但标定精度较低。
压力传感器的静态标定
§11-1
弹簧测力式压力标定机
手轮
螺杆
把待标定的压力传感器放置于上、下支柱之间； 调整上部螺杆到适当位置； 转动凸轮手柄，使测力计上移，给传感器加力； 由千分表读出变形量，按测力计的检定表便可 查得传感器所受到的力F。
被标定 的传感 器
压力与力F之间的关系：
手柄 标准测力计
n。
第11章 传感器的标定
2.实验确定二阶传感器自然振荡频率与阻尼比的方法
若衰减振荡缓慢，过程较长，可测Mi和Mi+n来求，n为两峰值相隔的 周期数。设Mi对应的时间为ti，则Mi+n对应的时间为 2 n ti n ti n 1 - 2 将ti和ti+n代入欠阻尼二阶传感器的阶跃响应式，得
• 标定时，按要求的压力间距，选定待标的压力点数； • 根据压力点数，施加相应的砝码重量W； • 加上砝码后，把凸轮放倒，使传感器突然接受到力的作用。 一次标定必须在短时间内完成，约数秒钟。
被标定的传感器 支柱 杠杆
压力P与砝码重量W关系为：
PSb W a
凸轮
砝码
杠杆式压力标定机示意图
17
第11章 传感器的标定
活塞压力计标定压力的示意图
13
第11章 传感器的标定
压力传感器的静态标定
§11-1
活塞压力计
标准压力表
砝码
活塞
进油阀 被标定传感器 针形阀 油杯
手轮
手摇压力泵
14
第11章 传感器的标定
压力传感器的静态标定
• 转动压力泵的手轮，使托盘上升到规定的刻线位置； • 按所要求的压力间隔，逐点增加砝码重量，使压力计产生所需的压力；
3
第11章 传感器的标定
基本参数指标
– 量程指标：量程范围、过载能力。
– 灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程输出。
– 精度有关指标：误差、线性、滞后、重复性。 – 动态性能指标：固有频率、阻尼比、时间常数 、频率响应范围。
第11章 传感器的标定
环境参数指标 – 温度指标：工作温度范围，温度误差，温度漂移，温 度系数。 – 其他环境参数：抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁干 扰能力等。 可靠性指标 – 工作寿命、平均无故障时间、绝缘电阻、耐压等。 其他指标 – 供电方式（直流、交流、频率、波形） – 电压范围
§11-2 压力传感器的动态标定
28
第11章 传感器的标定
2.实验确定二阶传感器自然振荡频率与阻尼比的方法
二阶传感器一般都设计成阻尼比 x=0.6~0.8 的欠阻尼系统。 阶跃输入时，典型的欠阻尼二阶传感器的瞬态响应是以阻尼 角频率wd作衰减振荡：
其中，d
1 - 2 n
第11章 传感器的标定
2.实验确定二阶传感器自然振荡频率与阻尼比的方法
Mi e-nt 2n ln ln Mi n - n ti 2n / n 1- 2 1- 2 e
n2 n 2 4 2 n 2
整理后得
式中
n ln
Mi Min
第11章 传感器的标定
激波管法是产生阶跃压力比较常用的方法。 因为它的前沿压力很陡，接近理想阶跃函数，所以压力传感器标定时 广泛应用此种方法。激波管法具有如下特点： ①压力幅度范围宽，便于改变压力值； ②频率范围宽(2 kHz～2.5 MHz)； ③便于分析研究和数据处理。 此外，激波管结构简单，使用方便可靠，标定精度可达4%～5%。
F P S
凸轮 底座
18
第11章 传感器的标定
§11-2 压力传感器的动态标定
传感器的动态特性取决于什么？
传感器的动态模型，即阶数以及τ，ξ,ω等
幅频特性、相频特性
阶跃响应
各种已知频率的正 弦信号激励试验
阶跃信号激励试验
19
这种方法的缺点是标定频率低(低于500 Hz)， 标定装置制作困难，应用受到限制。
• 活塞压力计精度可达±0.05%以上。
§11-1
• 不适合压电式压力测量系统，因为活塞压力计的加载过程时间太 长，致使传感器产生的电荷有泄漏，严重影响其标定精度。
标准压力表
砝码
活塞
进油阀 被标定传感器 针形阀 油杯
手轮
手摇压力泵
16
第11章 传感器的标定
压力传感器的静态标定
§11-1
杠杆式压力标定机
反射激波的阶跃压力：
2 2 M 14 2 a 1 P P P M 1 P 5 5 1 a 1 2 3 Ma 5
其中，Ma为激波的马赫数，由测速系统决定 P1一般采用当地的大气压
第11章 传感器的标定
激波管法
传感器在激励下按固有频率产生一个衰减振荡，其波形由显示系统记录 下来，用以确定传感器的动态特性。
y(t)以d= n√1–2作衰减振荡，按求极值的方法可得各振荡峰值 对应的时间tp=0，/d，2/d，……，将 t=/d代入y(t)的表达式，可得最大过冲量M： 1 2 - 1- 2 或 M e 1 ln M
测得M，由上式，可求阻尼比； 由标定测得的tp ，得fd d
m=0.03 V, 最大升降变差0.07V，所以 max=nm= 0.07/(5-1)100%=0.07/4 100%=1.75% 根据标定数据，该表只能定为2.5级。
第11章 传感器的标定
压力传感器的静态标定
§11-1
活塞压力计 常用的压力传感 器静态标定装置
杠杆式压力标定机
弹簧测力计式压力标定机
0 1 0.632 0 y (t)
t
t
第11章 传感器的标定
1. 实验确定一阶传感器时间常数的方法
一阶传感器的阶跃响应为
令z = -t/，上式可改写为
由上式依据测得的y(t) 可求出对应的z，作出z-t曲线，则应得到线 性关系，根据t = -Dt/Dz可确定时间常数，
z t z t
这种方法考虑了瞬态响应的全 过程，具有较高的可靠性。 还可根据z-t曲线与直线的符合 程度判断传感器与一阶传感器 的符合度。
第11章 传感器的标定
1. 实验确定一阶传感器时间常数的方法
测量一阶传感器的阶跃响 应，当输出值达到稳态值的 63.2%所经历的时间即为它的 时间常数。 但这样确定时间常数实际 上没有涉及响应的全过程，测 量结果的可靠性仅取决于某些 个别的瞬时值。为获得更可靠 的结果常采用下面的方法。
1
x (t)
第11章 传感器的标定
Why
• 为什么要标定？
• 什么是标定？ • 怎样进行标定？
1
What How
第11章 传感器的标定
Calibration
为什么要标定？
任何一种传感器在制造、装配完毕后都必须对原设 计指标进行一系列试验，以确定传感器的实际性能。
新研制的传感器需进行全面技术性能的鉴定， 用鉴定数据进行量值传递，同时鉴定数据也 经过一段时间储存或使用后对传感器的复测， 是改进传感器设计的重要依据 可检测传感器的基本性能是否发生变化，判 定其是否可继续使用。对可继续使用的传感 器，若某些指标(如灵敏度)发生了变化，应 通过再次标定，对原数据进行修正。
2
第11章 传感器的标定
Calibration
什么是标定？
传感器的标定，是通过 试验建立传感器输入量 与输出量之间的关系。 同时，确定出不同使用 条件下的误差关系。 静态标定
主要用于检验、测试传感器(或是整 个传感系统)的静态特性指标，如静 态灵敏度、线性度、迟滞、重复性等。
动态标定
主要用于检验、测试传感器(或传感 系统)的动态特性，如动态灵敏度、 频率响应等
第11章 传感器的标定
标准 设备 已知非电量 待标定 传感器 输入量 输出量
输入标准量：由标准传感器检测得到
标准传感器
输出1 输出2
输入量 发生器
待标定传感器
实质：待标定传感器与标准传感器之间的比较
8
第11章 传感器的标定
标定系统的组成
–被测非电量的标准发生器，如测力砝码、环形测力机、活塞式 压力计、位移标定设备（深度千分尺）、恒温源（低温 -630.74 ）用铂电阻温度计、（630-1064）用铂铹-铂热电偶等。 –被测非电量的标准测试系统，如标准压力传感器、标准力传感 器、标准温度计等。 –待标定传感器所配接的信号调节器、显示器和记录器等，其精 度是已知的。
§11-2 压力传感器的动态标定
气源
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第11章 传感器的标定
激波管法
原理：标定时根据要求对高、低 压室充以不同的压缩空气，低压 室一般为一个大气压力，对高压 室则充以高压气体。当高、低压 室的压力差达到一定值时膜片破 裂，高压气体迅速膨胀冲入低压 室,从而形成激波。 这个激波的波阵面压力保持恒定， 接近理想的阶跃波，并以超音速 冲向被标定的传感器。
第11章 传感器的标定
例 0~2MPa压力传感器的标定（输出电压1~5V；1.5级)， K=2V/MPa
标定数据表 输入压力(MPa) 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 输出电压(V) 升 1.02 1.40 1.79 2.19 2.56 2.98 3.41 3.78 4.17 4.57 4.98 输出电压(V) 降 1.01 1.42 1.81 2.23 2.58 3.05 3.43 3.82 4.20 4.59 5.01 平 均（V） 1.02 1.41 1.80 2.21 2.57 3.02 3.42 3.80 4.19 4.58 4.99 升降变差（V） 0.01 0.02 0.02 0.04 0.02 0.07 0.02 0.04 0.03 0.02 0.03 绝对误差 (V) 0.02 0.01 0.00 0.01 -0.03 0.02 0.02 0.00 -0.01 -0.02 -0.01
§11-1
• 同时用数字电压表记下传感器在相应压力下的输出值。
这样就可以得出被标定传感器的输出特性曲线(即输出与压力间的关系曲线)。 根据这条曲线可确定出所需要的各个静态特性指标。
标准压力表 砝码 活塞 进油阀 被标定传感器 针形阀 油杯
手轮
手摇压力泵
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第11章 传感器的标定
压力传感器的静态标定
§11-2 压力传感器的动态标定
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第11章 传感器的标定
激波管法
(a)膜片爆破前情况
§11-2 压力传感器的动态标定
激波管中压力与波动情况
(b)膜片爆破后 稀疏波反射前情况 (c)稀疏波反射后情况
入射激波的阶跃压力：
P2 P2 - P 1
(d)反射激波波动情况
7 M a 2 - 1 P1 6
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第11章 传感器的标定
压力传感器的静态标定
§11-1
活塞压力计由： • 校验泵(压力发生系统) • 活塞部分(压力测量系统) 组成。
标准压力表 砝码 活塞
利用活塞和加在活塞中的砝码重量 所产生的压力与手摇压力泵所产生 的压力相平衡的原理进行标定工作。
进油阀 被标定传感器 针形阀 油杯
手轮
手摇压力泵
第ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1章 传感器的标定
传感器的静态特性标定
1.静态标定条件
（205）℃；≤85%RH；（76060）mm汞柱
2.标定仪器设备（标准量具）精度等级的确定
●标准量具的精度等级比被标定传感器至少高一个等级； ●附加设备又必须比标准量具至少高一个等级。
3.静态特性标定方法——比较法
●创造一个静态标准条件； ●选择标准量具； ●标定步骤： 全量程等间隔分点标定； 正、反行程往复循环一定次数逐点标定（输入标准量，测试 传感器相应的输出量）； 列出传感器输出-输入数据表格或绘制输出-输入特性曲线； 数据处理获取相应的静态特指标。
第11章 传感器的标定
Calibration
怎样进行标定？
利用一种标准设备产生的已知非电量(如标准力、压 力、位移等)作为输入量，输入至待标定的传感器中， 得到传感器的输出量；然后将传感器的输出量与输入 的标准量作比较，从而得到一系列的标定曲线。
第11章 传感器的标定
传感器标定的分类 （1）根据被测量进行分类 ①绝对标定法 被测量是由高精度的设备 产生并测量其大小的。特点：精度较高，但较 复杂。 ②相对标定法或比较标定法 被测量是用 根据绝对标定法标定好的标准传感器来测量的 。特点：简单易行，但标定精度较低。
压力传感器的静态标定
§11-1
弹簧测力式压力标定机
手轮
螺杆
把待标定的压力传感器放置于上、下支柱之间； 调整上部螺杆到适当位置； 转动凸轮手柄，使测力计上移，给传感器加力； 由千分表读出变形量，按测力计的检定表便可 查得传感器所受到的力F。
被标定 的传感 器
压力与力F之间的关系：
手柄 标准测力计
n。
第11章 传感器的标定
2.实验确定二阶传感器自然振荡频率与阻尼比的方法
若衰减振荡缓慢，过程较长，可测Mi和Mi+n来求，n为两峰值相隔的 周期数。设Mi对应的时间为ti，则Mi+n对应的时间为 2 n ti n ti n 1 - 2 将ti和ti+n代入欠阻尼二阶传感器的阶跃响应式，得
• 标定时，按要求的压力间距，选定待标的压力点数； • 根据压力点数，施加相应的砝码重量W； • 加上砝码后，把凸轮放倒，使传感器突然接受到力的作用。 一次标定必须在短时间内完成，约数秒钟。
被标定的传感器 支柱 杠杆
压力P与砝码重量W关系为：
PSb W a
凸轮
砝码
杠杆式压力标定机示意图
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第11章 传感器的标定
活塞压力计标定压力的示意图
13
第11章 传感器的标定
压力传感器的静态标定
§11-1
活塞压力计
标准压力表
砝码
活塞
进油阀 被标定传感器 针形阀 油杯
手轮
手摇压力泵
14
第11章 传感器的标定
压力传感器的静态标定
• 转动压力泵的手轮，使托盘上升到规定的刻线位置； • 按所要求的压力间隔，逐点增加砝码重量，使压力计产生所需的压力；
3
第11章 传感器的标定
基本参数指标
– 量程指标：量程范围、过载能力。
– 灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程输出。
– 精度有关指标：误差、线性、滞后、重复性。 – 动态性能指标：固有频率、阻尼比、时间常数 、频率响应范围。
第11章 传感器的标定
环境参数指标 – 温度指标：工作温度范围，温度误差，温度漂移，温 度系数。 – 其他环境参数：抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁干 扰能力等。 可靠性指标 – 工作寿命、平均无故障时间、绝缘电阻、耐压等。 其他指标 – 供电方式（直流、交流、频率、波形） – 电压范围
§11-2 压力传感器的动态标定
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第11章 传感器的标定
2.实验确定二阶传感器自然振荡频率与阻尼比的方法
二阶传感器一般都设计成阻尼比 x=0.6~0.8 的欠阻尼系统。 阶跃输入时，典型的欠阻尼二阶传感器的瞬态响应是以阻尼 角频率wd作衰减振荡：
其中，d
1 - 2 n
第11章 传感器的标定
2.实验确定二阶传感器自然振荡频率与阻尼比的方法
Mi e-nt 2n ln ln Mi n - n ti 2n / n 1- 2 1- 2 e
n2 n 2 4 2 n 2
整理后得
式中
n ln
Mi Min
第11章 传感器的标定
激波管法是产生阶跃压力比较常用的方法。 因为它的前沿压力很陡，接近理想阶跃函数，所以压力传感器标定时 广泛应用此种方法。激波管法具有如下特点： ①压力幅度范围宽，便于改变压力值； ②频率范围宽(2 kHz～2.5 MHz)； ③便于分析研究和数据处理。 此外，激波管结构简单，使用方便可靠，标定精度可达4%～5%。
F P S
凸轮 底座
18
第11章 传感器的标定
§11-2 压力传感器的动态标定
传感器的动态特性取决于什么？
传感器的动态模型，即阶数以及τ，ξ,ω等
幅频特性、相频特性
阶跃响应
各种已知频率的正 弦信号激励试验
阶跃信号激励试验
19
这种方法的缺点是标定频率低(低于500 Hz)， 标定装置制作困难，应用受到限制。
• 活塞压力计精度可达±0.05%以上。
§11-1
• 不适合压电式压力测量系统，因为活塞压力计的加载过程时间太 长，致使传感器产生的电荷有泄漏，严重影响其标定精度。
标准压力表
砝码
活塞
进油阀 被标定传感器 针形阀 油杯
手轮
手摇压力泵
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第11章 传感器的标定
压力传感器的静态标定
§11-1
杠杆式压力标定机
反射激波的阶跃压力：
2 2 M 14 2 a 1 P P P M 1 P 5 5 1 a 1 2 3 Ma 5
其中，Ma为激波的马赫数，由测速系统决定 P1一般采用当地的大气压
第11章 传感器的标定
激波管法
传感器在激励下按固有频率产生一个衰减振荡，其波形由显示系统记录 下来，用以确定传感器的动态特性。
y(t)以d= n√1–2作衰减振荡，按求极值的方法可得各振荡峰值 对应的时间tp=0，/d，2/d，……，将 t=/d代入y(t)的表达式，可得最大过冲量M： 1 2 - 1- 2 或 M e 1 ln M
测得M，由上式，可求阻尼比； 由标定测得的tp ，得fd d
m=0.03 V, 最大升降变差0.07V，所以 max=nm= 0.07/(5-1)100%=0.07/4 100%=1.75% 根据标定数据，该表只能定为2.5级。
第11章 传感器的标定
压力传感器的静态标定
§11-1
活塞压力计 常用的压力传感 器静态标定装置
杠杆式压力标定机
弹簧测力计式压力标定机
0 1 0.632 0 y (t)
t
t
第11章 传感器的标定
1. 实验确定一阶传感器时间常数的方法
一阶传感器的阶跃响应为
令z = -t/，上式可改写为
由上式依据测得的y(t) 可求出对应的z，作出z-t曲线，则应得到线 性关系，根据t = -Dt/Dz可确定时间常数，
z t z t
这种方法考虑了瞬态响应的全 过程，具有较高的可靠性。 还可根据z-t曲线与直线的符合 程度判断传感器与一阶传感器 的符合度。
第11章 传感器的标定
1. 实验确定一阶传感器时间常数的方法
测量一阶传感器的阶跃响 应，当输出值达到稳态值的 63.2%所经历的时间即为它的 时间常数。 但这样确定时间常数实际 上没有涉及响应的全过程，测 量结果的可靠性仅取决于某些 个别的瞬时值。为获得更可靠 的结果常采用下面的方法。
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x (t)
第11章 传感器的标定
Why
• 为什么要标定？
• 什么是标定？ • 怎样进行标定？
1
What How
第11章 传感器的标定
Calibration
为什么要标定？
任何一种传感器在制造、装配完毕后都必须对原设 计指标进行一系列试验，以确定传感器的实际性能。
新研制的传感器需进行全面技术性能的鉴定， 用鉴定数据进行量值传递，同时鉴定数据也 经过一段时间储存或使用后对传感器的复测， 是改进传感器设计的重要依据 可检测传感器的基本性能是否发生变化，判 定其是否可继续使用。对可继续使用的传感 器，若某些指标(如灵敏度)发生了变化，应 通过再次标定，对原数据进行修正。
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第11章 传感器的标定
Calibration
什么是标定？
传感器的标定，是通过 试验建立传感器输入量 与输出量之间的关系。 同时，确定出不同使用 条件下的误差关系。 静态标定
主要用于检验、测试传感器(或是整 个传感系统)的静态特性指标，如静 态灵敏度、线性度、迟滞、重复性等。
动态标定
主要用于检验、测试传感器(或传感 系统)的动态特性，如动态灵敏度、 频率响应等
第11章 传感器的标定
标准 设备 已知非电量 待标定 传感器 输入量 输出量
输入标准量：由标准传感器检测得到
标准传感器
输出1 输出2
输入量 发生器
待标定传感器
实质：待标定传感器与标准传感器之间的比较
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第11章 传感器的标定
标定系统的组成
–被测非电量的标准发生器，如测力砝码、环形测力机、活塞式 压力计、位移标定设备（深度千分尺）、恒温源（低温 -630.74 ）用铂电阻温度计、（630-1064）用铂铹-铂热电偶等。 –被测非电量的标准测试系统，如标准压力传感器、标准力传感 器、标准温度计等。 –待标定传感器所配接的信号调节器、显示器和记录器等，其精 度是已知的。